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注塑机械手伺服电机UVW动力线相序接错,何以导致飞车?

       这几天看到一些帖子谈及富士和安川电机UVW动力线相序接错时导致飞车的故障,至于为什么会飞车,有人认为是由于相序接错,导致电角度反转,电流环出现正反馈所致,但并未给出具体的相序分析。今日恰逢工作原因对此问题有所涉及,就仔细考虑了伺服电机UVW动力线相序接错可能导致的电角度偏移关系,感觉有所收获,先将分析结果贴出来与大家分享,如有异议,请不吝指正。

以U-V-W正常接入相序的电角度偏移量为0考虑,则
U-W-V相序的电角度偏移量为180度,恰好反向,Iq分量完全反转,完全正反馈,若伺服无正反馈检测机制,必然飞车;
V-W-U相序的电角度偏移量为120度,相位偏移超出90度,Iq分量符号反转,进入正反馈区;
V-U-W相序的电角度偏移量为300度,即-60度,相位偏移,Iq分量减半,出力明显变小,可导致实际电流变大,电机严重发热;
W-V-U相序的电角度偏移量为240度,即-120度,相位偏移超出-90度,Iq分量符号反转,进入正反馈区;
W-U-V相序的电角度偏移量为60度,相位偏移,Iq分量减半,出力明显变小,可导致实际电流变大,电机严重发热。

         本讨论的前提是:假定电机编码器初始安装相位正确,伺服驱动器将完全"采信”电机编码器的初始安装相位所表征的电机电角度相位,无需在伺服电机的UVW动力线接线连接后进行额外的电角度初始相位的调整或辨识,这一点也是目前绝大多数成套供应的泛用伺服系统的实际处理方式。

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        电机的UVW三相动力线与驱动器的UVW三相接线端子之间可能的连接关系共有六种,以驱动器接线端的UVW顺序为正确接入相序,则电机动力线接入驱动器端子后,包括一一对应的"正常接入相序”电机UVW对驱动器UVW在内,根据排列组合,共有6种可能的接入顺序,分别为电机的UVW,UWV,VWU,VUW,WUV,WVU动力线对驱动器的UVW端子,因此驱动器的U、V、W端子有可能分别被接入了电机的U或V或W相动力线。由于电机的动力线上的反电势相位代表了电机的实际电角度,而驱动器的UVW端子的输出电压电流波形间的相位取决于电机编码器相位所表示的确定相序的电角度,因而,在电机动力线的UVW相与驱动器的UVW端子之间的对应关系不同时,就会出现驱动电压电流波形相位与电机反电势相位之间的偏差,有关偏差如下:
以电机动力线相序UVW对驱动器UVW接线端一一对应"正常接入”的相序为参考相序,按照三相交流电的一般相位关系,U领先V120度,V领先W120度,即U领先W240度,则有:
U-V-W正常接入相序。电角度偏移量为0,电角度增量为+Δθ,后续电角度可表示为:+Δθ。此时伺服控制始终处于完全正交解耦的最佳状态;
U-W-V相序,U正确,W、V互反。电角度偏移量为180度,电角度增量为 -Δθ,后续电角度可表示为:180 - Δθ。电机电角度增量方向与驱动的逆转,因而Iq分量是cos(180-2Δθ)的函数,开始时相位恰好反向,Iq分量完全反转,短暂进入完全正反馈,随着电机的转动,Iq分量会出现零值,伺服电机最终锁死。
V-W-U相序,电机与驱动器的各相顺序错位。电角度偏移量为120度,电角度增量为 +Δθ,后续电角度可表示为:120 + Δθ。电机电角度增量方向与驱动的一致,Iq分量为cos(120)=-0.5,符号反转,进入并始终处于正反馈区。
V-U-W相序,U,V相反,W不变,或者与V-W-U相序相比,V固定,U,W互反。电角度偏移量为-60度,电角度增量为 -Δθ,后续电角度可表示为:-60 - Δθ。电机电角度增量方向与驱动的逆转,Iq分量是cos(-60-2Δθ)的函数,开始时相位不反向,Iq分量无反转,不进入正反馈区,随着电机的转动,Iq分量会出现零值,伺服电机最终锁死。
W-V-U相序,电机与驱动器的各相再度顺序错位。电角度偏移量为-120度,电角度增量为 +Δθ,后续电角度可表示为:-120 + Δθ。电机电角度增量方向与驱动的一致,Iq分量为cos(-120)=-0.5,符号反转,进入并始终处于正反馈区。
W-U-V相序,与W-V-U相序相比,W固定,U,V互反。电角度偏移量为60度,电角度增量为 -Δθ,后续电角度可表示为:60 - Δθ。电机电角度增量方向与驱动的逆转,Iq分量是cos(60-2Δθ)的函数,开始时相位不反向,Iq分量无反转,不进入正反馈区,随着电机的转动,Iq分量会出现零值,伺服电机最终锁死。
最后小结如下:
UVW正常接入相序,伺服系统工作正常。
UWV相序,瞬间进入正反馈后电机稍动后锁死。
VWU相序,进入并持续正反馈。
VUW相序,不进入正反馈,电机稍动后锁死。
WUV相序,进入并持续正反馈。
WVU相序,不进入正反馈,电机稍动后锁死。
无论是计入持续正反馈还是电机稍动后锁死,电机的驱动电流都会很快达到最大,直至出现过流或过载故障,测的停机。

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